书城自然混杂堆积与环境
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第82章 混杂堆积综合体与相关特征(2)

何谓“天外来客”?南极洲和格陵兰周围海底被从南极冰盖冰架上崩落下来的冰碛物“落石”层所覆盖已是广为人知的事实。它们虽经过水体改造落入海底,却仍保留着部分冰碛的特征,但也包含了海洋生物的遗体。邓巴(1974)曾强调指出“澳大利亚二叠系下部海相岩系中的冰川层差不多肯定是在类似方式中形成的”。北大西洋海底岩芯中也曾找出四个“冰川层”,就是第四纪四次冰期从冰筏中落下的(Dansgaardetal,1993)。这些砾石以如此方式落入海中,给人印象深刻,以致在类似情况出现时,如湖相层中也出现个别砾石,人们也总会想到冰川和冰筏。

但正如邓巴(1974)在“地层学原理”中所指出的,如美国田纳西州中生代煤层中出现几十块几十厘米的石块,不一定用冰川和冰筏来说明,那将牵涉到附近应有冰川和冰盖存在的条件,但这是不存在的。——若用森林中大树的树根所裹挟的石块随洪水进入煤田环境也很顺理成章。作者在大兴安岭森林中看到倒下的大树树根中就裹着几十厘米大的石块(照片135),若遇洪水,它们就可以被带入湖或海。作者在北美麦肯胥河口处就见到大量被洪水带入海的木材和三角洲上的砾石。若按前述之理衡量李四光先生(1964)在讨论华北平原地下第四纪黏土层的钻孔中出现砾石时,也并不一定就要用太行山上有冰川来解释,同样可以寻找另外的原因。历史上由于“冰筏”带着砾石漂洋过海之模式深入人心,只要“天外来客”一出现,就立即作此联想。当然在大西洋的北海和南美洲的外海,冰山带着砾石漂洋落入海相黏土层中是不争的事实。人们曾依次得出了很科学的关于冰盖作用和气候变化的相模式,如Henich事件(Dansgaardetal,1993)。但他们所依据的绝不是海相层中一块或几块石头,而是一系列海相沉积中冰川沉积的采样分析和结合环境条件的综合分析。

作者也曾在南极长城站岸边见到一段海藻的根部恰好很严实地裹了一块3.5cm的石块,使作者深信树根和藻根皆可携带石块进入海相层中(至少是浅海相),而并不需要“冰筏”,须知这两种沉积环境相差极大。邓巴(1974)在其书中提到,某种海藻发展根状吸盘,借以附着在海底的砾石上,纹层藻(Haminania)裙带是一个突出的例子。

暴风雨、风暴潮可以使藻根带着2kg重的花岗岩石块搬到细砂堆积区内。同时,他也提到加利福尼亚死谷中,几十厘米见方的石块像“幽灵”似的可以顺着湖底“飘”到距山根很远处的细泥层上(照片136),他称之为“滑动漂砾”。它们都是有棱角的岩块,来自湖边山崖,并伴随着清晰的滑痕,毫无疑问曾滑过湖相泥层表面,有些例子可滑行1000英尺(305m),重达250kg(邓巴,1974)。在科普文章中也多次介绍在美国西部加利福尼亚州死亡谷国家公园,发现“自己会散步的神秘石块”。

在一个名叫“跑道坊”的地方,20世纪初来考察的人就发现山边的落石不知被什么力量驱使,不断地向湖床上移动,在干裂的湖床上留下一道道清晰的轨迹,短则数米,长则数百米,方向也不一定。加州大学地质工作者认为,降水是使石块滑移的先决条件,它使地面润滑,再加上有适当的大风就有可能使石块滑动。邓巴也提到若这些石块出现在古代泥岩中,很可能会被认为是浮冰漂砾。也有人认为是风力推动此类石块滑向湖心。特别是春季当石块被冰封而解冻后,其外缘很可能由冰的“翅膀”助了一臂之力(秦昭,2009)。

作者还曾在加拿大圣劳伦斯河口见到类似前述“幽灵”一样的“漂石”。在河口区的淤泥层上可以看到直径0.5m左右的磨圆砾石拖出了一道清晰的“尾迹”,和石块一样宽,尾迹长度可达10m,也被认为是在潮水和风力的助动下,附有“冰翼”的石块被推动而下留下尾迹(照片137)。

冰筏或其他方式携带砾石落入海相沉积物中,有特别的产状,如英国北海海底剖面所示,外来物落在水平产状的细粒层上,后者就势产生弯曲,其“天外来客”的身份表露无遗(照片138)。同样在火山涌流凝灰岩中,也有相似的落石构造,如北海涠洲岛就可看到在大型水平层理中的落石现象(图136;照片138)。

图136北海涠洲岛涌浪凝灰岩中落石沉陷构造(陈安泽等,2012)还应再提另一种“天外来客”现象,在冰盖区,无论北欧或北美,均常见孤立的外来冰川漂砾,它们受冰盖搬运很远距离。作者在加拿大海岸山脉的山区就见过从东北方向数百千米处被大冰盖搬来花岗岩漂砾。在南极半岛考察时,则见到从南美大陆搬到费尔德斯半岛的花岗岩漂砾,散落在黑色火山岩上十分醒目(照片139),据认为也可能是被冰川带过来的(照片1310)。

关于非沉积构造,除上述“天外来客”现象外,主要在冰缘(冻土区)甚或热带亚热带的红土中,均可见到造成次生(后生)混杂结构的现象。它们有时发生在混杂堆积类,如坡积;有时也可以发生在冲积、湖积物中,此时就把原本有序沉积改造成混杂状,给成因识别带来困难。但不论它们出现在何类堆积物中,都是次生或后生的,皆属非沉积构造。

如冰缘坡积中“冰卷泥”(冻融褶曲)(照片1311),包卷或卷筒构造及冰楔遗迹和侧向挤压构造,以及热带亚热带风化壳(花岗岩、玄武岩、砂砾岩等等)红土中的网纹和袋状构造等。它们也使有序的沉积层“被混杂了”,由上可见,这些所谓“天外来客”只是沉积相中一种“异化”现象(图136)。

1.冰卷泥对原始层状地层的扰动

冰卷泥是发生在多年冻土层上限以上堆积层中的一种冻胀变形构造,即冻土活动层内的一种变形构造。其是初冬地表开展冻结后一部分冻胀力向地下传递,而冻土上限是坚硬的底板,被上下挤压的活动层内有不同抗压力的松散堆积物,为适应此种压力就会产生变形,多以褶曲方式出现,经过多次长时间的此种变形,原始堆积物的成层产状会完全被扰动(照片1311),出现非常混乱的大型扰动现象。如原来基本水平状的砾石层或有机质层(黑色)会被挤压成分割的砾石透镜体和黑色透镜体。

2.冰楔挤压变形

冰楔产生在冻土区或古冻土区,如中国40°N以北的广大地区。当冰楔中的冰体扩张时,由于冰体膨胀会向两侧施压,若一连串冰楔皆如此彼此共同作用,则整个地面几米或1—2m以内皆可受力,如此上部地层就会产生挤压变形。而冰楔在地表均构成多边形体,可大可小或大中套小。它们能把原本同一层的砾石层分隔成一个个单独的砾石透镜体,在细部可以看到,长条形砾石沿边界呈定向排列(照片1312,照片1313)。成群的冰楔共同作用则能出现更显著的混杂现象,如鄂尔多斯西郊的第三纪红层原属于有序沉积,只是被多个冰楔共同作用而使其上部“被混杂了”(崔之久等,2004)。还有一类也可以说是次生混杂堆积,如扇形地上的冲积层,被风吹成“戈壁”

层,形成风蚀混杂堆积或二元结构的河流沉积被溶洞或地下河溶蚀塌陷而变成“陷落柱”等一样。

3.网纹或袋状构造

在热带亚热带地区如中国江西、湖南、湖北有广泛的中更新统网纹红土及基岩风化壳发育分布。剖面物质受植物根系吸引,使某些风化产物向其聚集,出现以垂向为主的网纹构造,这也在一定程度上破坏或模糊了原来的产状。也可因同样原因出现垂直的袋状构造,也系较粗树根的影响。但应注意此种袋状构造与冰楔假象之区别:后者是成群的且地面呈几何形,而前者是孤立的;两者还有其他一系列区别。此外,还有一些龟裂及地震裂隙填充现象,也可导致局部产状乱象。

(第四节)擦痕、磨光面、冰碛石和冰川擦痕石

在混杂堆积研究中专门讨论擦痕和磨光面是很合适的,因为冰川、泥石流、河、湖、海冰及崩塌—滑坡、断层或层间错动等都能形成擦痕或磨光面,在鉴别混杂堆积成因时识别擦痕的成因是重要也很有用的。

20世纪初,当彭克和布留克列尔写“冰期之阿尔卑斯”时(Pencketal,1909),那时人们认为砾石上有擦痕就是冰川成因。人们在阿尔卑斯山前冰水河流砾石层中找到擦痕石,就可以认为是冰川作用,也就此确定了冰期。但这一观点,在20世纪中期在国内外均受到了挑战,在中国尤为突出。记得当1964年太行山发洪水,地质科学院何培元从太行山前捡回一块巨石(长30cm±),上面有非常清晰的擦痕,均平行c轴。当时孙殿卿先生在他的办公室指着石头对作者说“要不是何培元从太行山泥石流现场捡回来的,肯定会认为它是冰川擦痕石”(照片525),令作者印象深刻。但那时还不清楚冰川擦痕和泥石流擦痕究竟该如何区别?当时,泥石流的地貌和沉积概念也已从前苏联(中亚地区,如阿塞拜疆)传到中国,已知道山区或山前(如太行山、燕山)的一些个别的巨石也都是泥石流带出山的,无须借助冰川来解释其成因。后来,从邓巴(1974)的《地层学原理》一书中,更了解到一些沉积学上比较奇怪的特例。如前述美国弗吉尼亚中生代煤田中发现多块几十厘米的石块,经研究是洪水中大树树根带来的,也无须用“冰筏”来解释。因此,启发作者以比较开放的思路去认识擦痕及其成因。

经过近30年的关注,作者发现,冰川、泥石流、滑坡、崩塌—崩滑、河岸冰、湖岸冰、海岸冰、风蚀、断层和层间错动等内、外动力过程都可以在基岩或砾石上留下擦痕,其中规模比较大的如断层、滑坡、泥石流等均可造成类似冰川磨光面和擦痕的现象。这对初学者来说,具体地鉴别它们的成因是很困难的,故作者首先要强调的是,擦痕的现代观念应是有很多原因造成的,绝不是只有冰川一家。至于究竟是何种原因,必须仔细观察,不能轻易定性(李吉均,1982;李吉均等,1984)。

同样,由擦痕组成的磨光面也不只冰川一家,几十至几百平方米的滑坡—泥石流磨光面是常见的(照片1314);但若产生在土状堆积上(如黄土),此类磨光面只会保留很短时间(几个月或几年)(照片65);如果发生在基岩上,则可以长期保留。

2004年发生在云南丽江龙山干河坝上游玉龙山5号冰川及基岩崩滑,在干河坝上游基岩面上所形成的磨光面即为一例(照片95)。此外,大量的断层磨光面对地质工作者来说已无须赘述。个别地段出现的泥石流沟超高凹岸基岩上留下的磨光面也曾有发现,如在甘肃省武都县汉王沟的泥石流U型槽谷的一侧,可能也是仅有的发现(照片522)。此外,其他能形成擦痕的作用则很难形成磨光面。因他们的作用是点状的而非面状的。正如约翰逊(1983)所认为的,地质地貌过程中,冰川、泥石流和熔岩流三种过程在力学上有类似之处,都具有不同程度的塑性体特征,都有能力形成U型谷,并在谷壁上留下擦痕。

以点状或者小面积(几至几十平方厘米)作用在基岩或砾石上的擦痕,虽然从某一孤立的条擦痕看没有多大区别,但从它们的组合、产状以及和所在砾石形状特征等组合关系上(图139—图1311),则可看出很大差别。因此,作者在此提出第二个关于擦痕研究的要求,不要看一两条擦痕就对其成因做出判断,而必须从其特征的综合产状分析中做判断,譬如冰川擦痕绝大多数是分布在砾石的擦面上(擦面也是由很多更细小的擦痕组成的),70%—80%以上的擦痕平行于a轴(长轴)(图139)。因为当冰下、冰内砾石被冰川带着前进时,最省力的方向是长轴平行冰川流向,故擦出的擦痕大多平行长轴。有经验的人知道,带擦痕的冰碛石在冰川上很不易寻觅,因为只有从冰川积极流路出来的冰碛石,才有可能经受冰内多种磨耗成为典型的冰碛石或冰川擦痕石(图1310)。它们在冰川中运动时,经受的是磨光、磨平过程而不是磨圆(李吉均,1982;李吉均等,1984)。因为它们基本没有滚动,所以在磨耗过程中,此类冰碛石会产生完全被磨光的面和棱,使各个棱已完全失去棱角,砾石的边缘也会被切削呈平滑的多边形(六边形、五边形、四边形等)。

更重要的是,沿a轴的方向一头厚一头薄,呈熨斗状(图1311),扁的一头指示冰川来向。图1311中冰碛石b因速度差异已赶上此前的一块a,两者接触时因压力而在接触面上产生断裂或断口c。中c处即为石块b和石块a的压裂面,这种情况只能出现在横贯冰体的冰川剪切面上即冰体内的“逆断层”面上(图1310),只有剪切面上和冰川底部“通道”上的砾石才有彼此摩擦的可能,从而形成真正冰川磨光面和擦痕。

这类“通道”被称为冰川的积极流路(图1310),有此番经历的石块才能被称之为“冰碛石”。而大量被裹在冰体内“随冰逐流”的砾石,直到成为冰上融出碛或冰下融出碛也都没有机会彼此摩擦,故绝大多数冰碛石都是没有磨光面或擦痕的,此类石块称为“冰碛碎屑”。但尽管如此,它们在搬运过程中也不会完全保持原样,多多少少在与细颗粒砂石的接触中还是被削去了原有的棱角而变得较为光滑,保持多边形但没有尖锐的棱角,所以被称为“优先磨光”

作用(李吉均,1982;李吉均等,1984),这和河流砾石的“优先磨圆”作用是完全不同的。这以遭受细颗粒磨耗的冰川滞碛中的冰碛石最为明显,如美国西雅图郊区所见之大陆冰盖滞碛和阿尔泰山喀纳斯湖口滞碛中砾石皆如此。尽管冰碛石外形不规则,多边多面,但都很光滑,故冰碛石在混杂堆积中并不是最带棱角的,比起绝大多数其他混杂堆积,如坡积、崩塌等要“圆滑”得多。

由于泥石流多发生在沟床上,其砾石的磨圆度大都比冰碛好,尤其是泥石流沿沟床滚动时是顺短轴(c轴)滚动,故为数不多的擦痕多平行c轴,和平行a轴(长轴)的冰川擦痕有很大不同(表131;图139)。而且粒径大的泥石流砾石常常有相互碰撞的断口状撞击坑,这都是冰碛石中所未见的(照片521)。

保存完好的冰川擦痕和磨光面,并不会因时间相距达几亿年而有所差别。以河南前震旦纪罗圈组和湖北南坨组古冰川作用为例,它们所形成的冰川磨光面保存完好(照片1315,照片1316)。刚从冰碛层中出露的冰碛石上的擦痕也保存完好,所有特征都和第四纪冰川和现代冰川的磨光面与擦痕没有明显不同。这些磨光面和擦痕也是近期从古冰碛层中逐渐暴露出来的,并不是暴露几亿年以后还得以保存。